Ti-74合金棒材鍛造工藝及熱處理工藝研究

文／李瑞鋒，李海鋒，馬宏剛，都海剛，李巍，何書(shū)林·寶雞鈦業(yè)股份有限公司

Ti-74合金棒材鍛造工藝及熱處理工藝研究

文／李瑞鋒，李海鋒，馬宏剛，都海剛，李巍，何書(shū)林·寶雞鈦業(yè)股份有限公司

研究了Ti-74合金φ100mm棒材的鍛造工藝及經(jīng)不同的熱處理工藝處理后，其顯微組織和室溫性能，從而確定鍛造及熱處理工藝。結(jié)果表明：常規(guī)的兩相合金鍛造工藝可以獲得均勻的兩相區(qū)加工組織；較低溫度的雙重等溫退火對(duì)Ti-74合金的強(qiáng)度提高作用不大；較高溫度的雙重退火可以提高合金的強(qiáng)度；900℃/1h·AC+ 650℃/6h·AC的熱處理制度能夠得到相對(duì)較好的強(qiáng)塑性匹配，組織為初生α+β相與次生α相。

鈦及鈦合金具有高強(qiáng)度、低密度和優(yōu)異的抗腐蝕性能，在許多領(lǐng)域的應(yīng)用極具吸引力。隨著我國(guó)航空航天領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)合金耐熱性能的要求也日益提高。Ti-74合金屬于α+β型的兩相合金，其名義成分為T(mén)i-7Al-4Mo，國(guó)外對(duì)該合金的研究較多。該合金主要特點(diǎn)是在480℃的工作條件下，材料可以滿足相應(yīng)的強(qiáng)度。為了滿足市場(chǎng)對(duì)該產(chǎn)品的需求，本文通過(guò)對(duì)該合金的研究，探究了Ti-74合金的鍛造特性，同時(shí)研究熱處理制度對(duì)Ti-74合金的組織及其性能的影響規(guī)律，以期對(duì)實(shí)際生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用材料為寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的經(jīng)三次真空熔煉的規(guī)格為φ696mm的鑄錠，其化學(xué)成分如表1所示。經(jīng)測(cè)定，該鑄錠的相變點(diǎn)為1028℃。

表1 實(shí)驗(yàn)用Ti-74合金錠的化學(xué)成分（Wt.%）

實(shí)驗(yàn)方法

Ti-74合金與TC11合金的化學(xué)成分及合金化程度相近，故本實(shí)驗(yàn)用鍛造工藝以TC11的鍛造工藝為參考，將鑄錠在單相區(qū)開(kāi)坯，并對(duì)鑄錠進(jìn)行鐓拔，在兩相區(qū)進(jìn)行中間鍛造，在精鍛機(jī)上進(jìn)行成品鍛造，成品規(guī)格為φ100mm規(guī)格的棒材，棒材的鍛態(tài)組織如圖1所示。根據(jù)客戶在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)該棒材性能的要求，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了6種不同的熱處理制度，具體熱處理制度如表2所示。本試驗(yàn)顯微組織在Axiovert 200MAT光學(xué)顯微鏡上觀測(cè)，力學(xué)性能在Instron 5885拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，探傷在USD 15S探傷設(shè)備上進(jìn)行水浸探傷。

結(jié)果與分析

鈦合金的α+β鍛造通常是指在β轉(zhuǎn)變溫度以下30～100℃的α+β兩相區(qū)內(nèi)進(jìn)行變形，也叫常規(guī)變形。常規(guī)鍛造過(guò)程中，初生α相和β相都同時(shí)參與變形，獲得典型的等軸α組織。α+β鍛造時(shí)，隨著變形量的逐漸增加，原始β晶粒逐漸被壓扁和破碎，沿金屬變形流動(dòng)方向拉長(zhǎng)，片狀α發(fā)生扭曲、碎化并沿變形方向排列。由Ti-74合金的棒材熱態(tài)顯微組織(圖1)可以看出：該棒材為兩相區(qū)加工組織，未見(jiàn)原始β晶粒，說(shuō)明棒材在單相區(qū)的變形比較充分，且最終在兩相區(qū)加工，獲得的兩相區(qū)組織均勻細(xì)小，經(jīng)探傷后，該棒材探傷水平達(dá)到AMS2631的A1級(jí)，這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)所制定的工藝適合生產(chǎn)Ti-74合金棒材。

圖1 Ti-74合金φ100mm棒材熱態(tài)組織

表2 Ti-74合金φ100mm棒材熱處理工藝

顯微組織分析

將棒材切成20mm厚的樣片，在同一精度的熱處理爐中進(jìn)行了上述表2中的6種熱處理制度后，加工成高倍和拉伸試樣后進(jìn)行試樣檢測(cè)。Ti-74合金不同熱處理后橫向顯微組織分別如圖2、圖3所示。

圖2 Ti-74合金不同熱處理后橫向顯微組織(200×)

圖3 Ti-74合金不同熱處理后橫向顯微組織(500×)

由圖2和圖3的顯微組織可以看出：棒材經(jīng)熱處理后基本為等軸的兩相區(qū)組織，局部存在部分拉長(zhǎng)的晶粒。經(jīng)a和b熱處理工藝處理后，該合金的組織與棒材熱態(tài)組織差異不大。經(jīng)c和d的熱處理工藝處理后，基本呈現(xiàn)等軸的α和轉(zhuǎn)變的β組織，且隨著第二級(jí)熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，合金顯微組織差異不大。提高第一級(jí)熱處理溫度，棒材的顯微組織逐漸發(fā)生變化，等軸的α和轉(zhuǎn)變的β組織在第二級(jí)熱處理過(guò)程中部分過(guò)飽和組織轉(zhuǎn)變?yōu)榇紊料啵@些次生α相均呈針狀，如e熱處理工藝對(duì)應(yīng)的顯微組織所示。當(dāng)降低第一級(jí)熱處理溫度，降至相變點(diǎn)以下約130℃，將第二級(jí)熱處理溫度提高至650℃時(shí)，該制度所對(duì)應(yīng)的顯微組織與上述5種組織存在很大差異。f熱處理工藝降低了第一級(jí)加熱溫度，提高了第二級(jí)溫度，可以看到原a～e的熱處理后的轉(zhuǎn)變的β組織變成了大量的次生α相，且這些α相呈片層狀。這表明：在雙重退火過(guò)程中，第一級(jí)的溫度及時(shí)間是足夠的，而第二級(jí)過(guò)飽和的組織轉(zhuǎn)變的溫度太低，發(fā)生次生α相的析出不是很充分。初生α相的形貌決定了合金的塑性，而時(shí)效處理中殘余β相轉(zhuǎn)變生成的次生α相及尺寸決定了合金的強(qiáng)度。

表3 Ti-74合金φ100mm棒材不同熱處理后的性能

性能分析

6種不同的熱處理制度對(duì)應(yīng)的室溫拉伸性能如表3所示。

由表3數(shù)據(jù)可以看出：對(duì)于a和b的較低溫度的兩次等溫退火后，Ti-74合金的室溫拉伸強(qiáng)度隨著溫度的提高有所增長(zhǎng)，但塑性有所降低，這與一般的熱處理后的金屬的室溫性能變化規(guī)律相同。在相變點(diǎn)以下60～80℃進(jìn)行雙重退火后，如c～e，其強(qiáng)度和塑性基本保持相同，第二級(jí)退火時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)合金的力學(xué)性能影響很小。當(dāng)在相變點(diǎn)以下130℃進(jìn)行第一重退火，在650℃時(shí)進(jìn)行第二重退火時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度與在相變點(diǎn)以下60～80℃相比，基本沒(méi)有變化，但屈服強(qiáng)度較之前提高約30MPa，這與前面提到的組織的對(duì)應(yīng)關(guān)系是一致的。隨著第二重溫度的提高，過(guò)飽和的組織開(kāi)始轉(zhuǎn)變。第一重溫度加熱冷卻過(guò)程中得到的過(guò)飽和組織在低溫時(shí)效時(shí)，這種過(guò)飽和的組織逐漸析出次生α相，而初生α相的形態(tài)及含量沒(méi)有明顯的變化。次生α相的形貌及含量決定了其屈服強(qiáng)度的高低。對(duì)比c～f熱處理后的性能不難發(fā)現(xiàn)：第一重加熱溫度的升高和降低(由900℃升至970℃)對(duì)Ti-74合金的抗拉強(qiáng)度影響不大，時(shí)效溫度的升高(由530℃升至650℃)對(duì)合金的屈服強(qiáng)度影響較大。

結(jié)論

通過(guò)對(duì)Ti-74合金的鍛造過(guò)程及熱處理工藝的研究，得出以下結(jié)論：

⑴常規(guī)的兩相合金鍛造工藝對(duì)于Ti-74合金的鍛造過(guò)程是適用的，可以獲得均勻的兩相區(qū)加工組織；

⑵較低溫度的雙重等溫退火對(duì)Ti-74合金的強(qiáng)度提高作用不大；較高溫度的雙重退火可以提高合金的強(qiáng)度；

⑶900℃/1h·AC+ 650℃/6h·AC的熱處理制度能夠得到相對(duì)較好的強(qiáng)塑性匹配，組織為初生α+β相+次生α相。